基于AHP與MapGIS的焦家金成礦帶地質(zhì)環(huán)境評價

謝超，李超,2，田得龍,2，史永理

(1.山東省非煤礦山事故防范技術研究中心,山東省院士專家工作站煙臺分站，山東 煙臺 264006；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟南 250000；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

人類對自然資源的不合理利用，引發(fā)各種環(huán)境地質(zhì)問題及地質(zhì)災害，導致人員傷亡、經(jīng)濟損失，嚴重制約了經(jīng)濟社會的發(fā)展[1-6]。開展地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價可以查明地質(zhì)環(huán)境條件和狀態(tài)，掌握地質(zhì)災害演變的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)潛在隱患點，提出合理的防治及保護措施，促進資源的合理開發(fā)利用，減少地質(zhì)災害的發(fā)生[7-11]。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價的準確與否主要取決于影響因素的選取、量化及其權(quán)重的確定，許多學者利用MapGIS空間分析及信息處理功能開展了不同區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價研究[12-14]，運用層次分析法[15-17]、熵權(quán)系數(shù)法[18]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡法[19]、支持向量機[20]等方法確定影響因素的權(quán)重。在借鑒前人研究成果的基礎上，本文采用MapGIS與AHP耦合的方法，結(jié)合焦家金成礦帶的地質(zhì)環(huán)境特點及現(xiàn)狀，對研究區(qū)進行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價，評價結(jié)果將對地質(zhì)環(huán)境綜合整治與保護提供依據(jù)及指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于焦家金成礦帶及其東南部金礦分布較密集地區(qū)，面積約200km2，屬北溫帶東亞季風區(qū)大陸性氣候，四季分明，光照充足，地勢平坦，環(huán)境優(yōu)美，交通便利。受地質(zhì)條件、環(huán)境及人類活動的影響，研究區(qū)范圍內(nèi)目前比較突出的地質(zhì)災害和地質(zhì)環(huán)境問題主要有：地面塌陷及伴生地裂縫、崩塌、泥石流、海水入侵、地下水污染、地下水疏干、土地資源和地質(zhì)地貌景觀破壞等(圖1)。

1—第四紀砂、砂礫、黏性土；2—新近紀砂巖、玄武巖；3—白堊紀上統(tǒng)頁巖、砂巖、泥巖；4—白堊紀下統(tǒng)火山巖、火山碎屑巖；5—侏羅紀砂礫巖、砂巖；6—粉子山群石英巖、片巖、大理巖；7—膠東巖群片麻巖、變粒巖；8—燕山期花崗巖；9—地質(zhì)界線；10—斷裂及推測斷裂；11—研究區(qū)位置

2 影響因素分析

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量受區(qū)域地殼穩(wěn)定性、巖土體工程地質(zhì)類型、地形地貌、采坑、地面塌陷與地裂縫等因素的影響。

2.1 地形地貌

研究區(qū)地形總趨勢是東南高，西北低，西鄰萊州灣，地勢平緩，屬濱海平原。東部是以剝蝕作用為主的丘陵區(qū)，標高一般為40～60m，地形坡度大，坡降一般為69×10-3，溝谷發(fā)育，基巖裸露；西部為山前沖洪積平原，地面標高22～35m，地勢平緩，向西北傾斜，坡降約6×10-3。地貌分區(qū)屬魯東低山丘陵區(qū)，根據(jù)地貌成因類型和地貌特點評價區(qū)為構(gòu)造剝蝕丘陵亞區(qū)、剝蝕堆積山間平原亞區(qū)2種地貌類型亞區(qū)。

2.2 工程地質(zhì)類型

工程地質(zhì)類型主要為堅硬塊狀侵入巖工程地質(zhì)區(qū)及松散巖類工程地質(zhì)區(qū)。堅硬塊狀侵入巖工程地質(zhì)區(qū)主要分布于研究區(qū)東部、東南部。巖性主要為中生代花崗巖、閃長巖、正長巖和石英二長巖等。松散巖類工程地質(zhì)區(qū)主要分布于山前平原地帶。根據(jù)土層的粒度成分和工程地質(zhì)性質(zhì)分為：砂性土、黏性土、特殊土，總體而言巖土工程地質(zhì)條件較差。沖積層多沿山間谷地分布，海積層沿海岸帶展布，為相對穩(wěn)定的地基地段(圖2)。

1—沖積層、殘坡積層；2—海積層；3—硬質(zhì)砂巖；4—二長花崗巖；5—閃長巖；6—輝長巖；7—蝕變帶；8—堆積山間、濱海平原；9—構(gòu)造剝蝕丘陵

2.3 區(qū)域地殼穩(wěn)定性

研究區(qū)地處我國東部大陸架區(qū)魯東斷塊內(nèi)，屬于華北斷塊區(qū)中膠遼斷塊的山東部分，南鄰蘇北-膠南斷塊區(qū)，西靠魯西斷塊區(qū)，西北接冀東-渤海斷塊區(qū)。魯東斷塊屬于中等活動強度相對穩(wěn)定、緩慢抬升的邊緣斷塊。區(qū)域上主要活動斷裂有沂沭斷裂帶、渤海-威海斷裂帶和響水河-千里巖斷裂。沂沭斷裂帶是我國東部規(guī)模最大的郯廬斷裂帶中新活動的一段，構(gòu)成魯東、魯西兩大斷塊的構(gòu)造結(jié)合帶。

渤海-威海斷裂帶位于工作區(qū)東北約60km，斷裂帶呈NWW向展布，規(guī)模大、延伸長。響水河-千里巖斷裂位于工作區(qū)東南約180km，該斷裂為華北地臺與揚子地臺的分界斷裂，由蘇北陸區(qū)響水河一帶呈NE向延伸入黃海(圖1)。

2.4 含水層富水性

根據(jù)地下水的賦存狀態(tài)，區(qū)內(nèi)地下水主要分為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，其中松散巖類孔隙水依據(jù)單井涌水量的大小又劃分為3種情況，具體見圖3所示。

1—松散巖類孔隙水，單井涌水量500～1000m3/d；2—松散巖類孔隙水，單井涌水量1000～3000m3/d；3—松散巖類孔隙水，單井涌水量<500m3/d；4—基巖裂隙水，單井涌水量<100m3/d

2.5 地下水環(huán)境質(zhì)量

通過對研究區(qū)地下水質(zhì)量的取樣分析可知(圖3)，采用單因子指數(shù)法進行評價可知區(qū)內(nèi)地下水硝酸鹽、亞硝酸鹽含量超標較為普遍，地下水質(zhì)量幾乎都在Ⅲ類水以下。其中氯化物污染主要分布于研究區(qū)東北的廣大濱海—山前平原地帶，硫酸鹽超標樣品主要分布于唐家河一帶，水中硝酸鹽—氮普及總硬度超標普遍存在(表1)。

表1 地下水污染分析樣品超標組分

2.6 地下水疏干

地下水疏干主要是指開采礦產(chǎn)資源或者建設地下工程時，因疏干排水引起的地下水水位下降，進而導致水資源枯竭。通過對研究區(qū)內(nèi)63個地下水取樣點埋深及高程等因素的調(diào)查分析(圖4)，勾劃出區(qū)內(nèi)地下水疏干區(qū)的范圍。地下水疏干區(qū)主要分布于西曲城—白家—靈山地下水疏干區(qū)位于研究區(qū)中部，面積約21.7km2。該區(qū)金礦分布密集，地下水水位埋深在100m以下。河東—寺莊地下水嚴重疏干區(qū)，面積約15.2km2，金礦分布密集，目前在區(qū)內(nèi)已形成一個NE40°方向的地下水疏干區(qū)(圖5)。

1—取樣點及編號；2—研究區(qū)范圍

1—焦家斷裂帶；2—地下水漏斗范圍；3—地下水漏斗影響較輕區(qū)；4—地下水漏斗影響較重區(qū)；5—金礦點

2.7 海水入侵

海水入侵是指在自然和人為因素影響下，海水向內(nèi)陸運移及彌散，導致淡水變咸的現(xiàn)象。根據(jù)其對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人畜用水造成不同程度的影響，該次以氯離子含量>250mg/L作為海水入侵的判別標準。根據(jù)查閱資料及調(diào)查得出2009年研究區(qū)海水入侵面積約21.14km2，2014年研究區(qū)海水入侵面積約50.2km2，入侵面積總體趨勢還在緩慢增加(圖6)。

1—2009年海水入侵線；2—2014年海水入侵線；3—地下水位標高等值線；4—金礦點；5—斷裂

從區(qū)域地質(zhì)圖上來看，研究區(qū)內(nèi)海水入侵線與焦家斷裂帶吻合度非常高，焦家斷裂帶為NE走向、SE傾向的隔水構(gòu)造，說明焦家斷裂帶對區(qū)內(nèi)海水入侵具有一定的阻隔作用。

2.8 采坑及尾礦庫

礦山開采易造成土地資源、地質(zhì)地貌景觀破壞，主要是由露天開采、采空地面塌陷、堆放礦渣尾礦而引起的。研究區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)金礦、石材礦等露天采坑12處，長期的露天采礦及工程施工建設，形成許多采坑、挖掘面等，嚴重破壞了土地植被資源。

區(qū)內(nèi)分布大量尾礦庫，不僅占用了大量耕地，部分尾礦庫缺乏環(huán)保措施，遇到大風干燥天氣，揚塵對周圍居民產(chǎn)生較大影響，同時也有發(fā)生泥石流、潰壩等地質(zhì)災害的風險。

2.9 地面塌陷

地面塌陷是地表巖土體在自然或人為因素作用下，于一定范圍內(nèi)短時間產(chǎn)生的地面沉陷，導致地面或建筑物損壞，造成一定經(jīng)濟損失的一種地質(zhì)災害。目前區(qū)內(nèi)已發(fā)生和存在隱患的地面塌陷均為采空塌陷，共有13處(圖7)。

2.10 崩塌

研究區(qū)屬于低山、濱海平原區(qū)，調(diào)查期間未發(fā)現(xiàn)明顯天然崩塌跡象，但區(qū)內(nèi)露天開采礦山多處分布，并且采壁陡峭，極易發(fā)生人為原因造成的崩塌災害，由于個別采坑距人類居住區(qū)較近，一旦發(fā)生災害，采坑周邊村民的生命安全受到嚴重威脅，該次地質(zhì)災害調(diào)查共發(fā)現(xiàn)崩塌地質(zhì)災害隱患點4處(圖7)。

1—采礦范圍；2—采空塌陷隱患；3—崩塌隱患；4—泥(渣)石流隱患；5—金礦點

3 指標體系構(gòu)建

本文依據(jù)研究區(qū)的特點及資料的收集的情況，本著綜合性、客觀性、易獲性、可表征性和可度量性評價原則，選取巖土體工程地質(zhì)類型、地下水質(zhì)量、地面塌陷等12個因素作為評價指標，構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評價指標體系，具體見表2。

表2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價因子量化分級

4 評價方法與過程

AHP與MapGIS的耦合就是利用MapGIS強大的空間分析、信息處理能力及專家評分的方法，對環(huán)境質(zhì)量評價指標進行賦值量化，用AHP確定出評價指標的權(quán)重系數(shù)，在此基礎上，建立綜合加權(quán)指數(shù)模型，對研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進行評價。

(1)評價單元劃分及賦值:利用MapGIS的空間分析及信息處理能力，首先把研究區(qū)劃分為263個1km×1km評價單元，采用專家打分的方法對每個單元內(nèi)巖土體工程地質(zhì)類型、地下水質(zhì)量、礦山開采等12個二級評價指標分別進行賦值，提取并生成相應的點文件。

(2)評價指標權(quán)重確定：層次分析法(Analytic Hierarchy Process)，簡稱AHP是美國運籌學家T.L.Saaty教授提出的一種多目標、定性與定量相結(jié)合又能充分綜合專家經(jīng)驗的決策分析方法。該文通過借助專業(yè)層次分析軟件yaahp確定各個影響指標的權(quán)值，依據(jù)Seaty提出的1～9標度法根據(jù)各個評價指標對決策目標所起作用的大小進行相對重要性比較，構(gòu)成判斷矩陣，并對矩陣進行一次性檢驗。當CR<0.1時，認為通過一致性檢驗，得出的各評價指標的權(quán)重是合理的，得出評價指標的權(quán)重(表2)。

(3)綜合加權(quán)指數(shù)評價模型。采用綜合加權(quán)指數(shù)評價模型對環(huán)境質(zhì)量進行評價。

F=a1*A1…+c3*C3

式中：F為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)；a1，a2，…，c2，c3表示評價指標的權(quán)重；A1，A2，…，C2，C3表示區(qū)域地殼穩(wěn)定性(含地震烈度)、巖土體工程地質(zhì)類型(含不良土體)等評價指標的因子賦值。

5 評價結(jié)果與分析

通過對研究區(qū)資料的收集、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，確定出分區(qū)的閾值2.69，5.12，6.85。根據(jù)分區(qū)閾值將研究區(qū)環(huán)境質(zhì)量劃分為：地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)、地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)、地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量一般區(qū)、地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)4種類型(圖8)。

1—地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)；2—地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量一般區(qū)；3—地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)；4—地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)；5—金礦點；6—斷裂

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)：分布范圍較少，約占全區(qū)總面積的17.9%，主要分布在研究區(qū)的西南部和東部，地貌類型主要為低山丘陵和濱海平原，地形相對起伏較小，巖層為堅硬塊狀侵入巖，工程地質(zhì)條件較好，區(qū)內(nèi)無采坑及尾礦庫，未發(fā)生海水入侵，地下水質(zhì)一般，無嚴重的地質(zhì)災害和地質(zhì)環(huán)境問題。

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量一般區(qū)：主要分布在研究區(qū)的西部濱海區(qū)和諸河流附近，占全區(qū)總面積的35.6%。該區(qū)地貌類型主要為濱海平原和第四紀沖擊層，地形相對起伏較小，區(qū)內(nèi)礦山開采程度低，尾礦庫數(shù)量較少，地下水Cl-含量在250mg/L以上，存在海水入侵環(huán)境問題，地下水質(zhì)較差，無其他嚴重的地質(zhì)災害和地質(zhì)環(huán)境問題。

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)：主要分布在研究區(qū)中部，占全區(qū)總面積的24.4%。該區(qū)地貌類型以低山丘陵為主，地形相對起伏較大，區(qū)內(nèi)有小型礦山開采，采坑及尾礦庫存在，存在歷史遺留采空地質(zhì)災害隱患，區(qū)內(nèi)淺層松散巖類孔隙水富水性較好，基巖裂隙水富水性較差，存在一定范圍內(nèi)的地下水疏干現(xiàn)象，地下水環(huán)境質(zhì)量一般。

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)：主要分布在研究區(qū)中部的焦家斷裂帶附近，占全區(qū)總面積的22.1%。該區(qū)地貌主要為山前平原和低山丘陵，區(qū)內(nèi)金礦開采強度大，大部分為基巖裂隙水富水性較差，區(qū)域地下水嚴重疏干，并存在未治理的采空塌陷區(qū)和預測的塌陷區(qū)范圍，現(xiàn)狀塌陷區(qū)主要為回填后未利用區(qū)域，預測塌陷區(qū)大部分為耕地，地下水環(huán)境質(zhì)量差。

6 結(jié)語

(1)在礦山地質(zhì)環(huán)境評價過程中，采用層次分析法(AHP)合理地確定了礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標的權(quán)值，基于MapGIS的脆弱性指數(shù)法對12個評價指標進行綜合分析，避免了單一因素評價的局限性，從而保證了評價結(jié)果的客觀性和準確性。

(2)研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價等級與礦山開發(fā)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，有礦山開發(fā)的地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對較差，而人類破壞小的地區(qū)生態(tài)環(huán)境則較好。評價結(jié)果符合客觀事實，可為礦山環(huán)境的保護與修復提供對策和建議，為半島藍色經(jīng)濟區(qū)建設提供基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。